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1、精品新能源汽车的发展现状及发展趋势摘摘 要要:进入 21 世纪，随着能源问题和环境问题的日趋严重，开发和利用新型清洁能源已成为一个重要课题。由于石油燃料的短缺及控制排放法规的强化，如何为汽车选择清 洁的代用燃料的问题，已提到议事日程上。本文详细分析比较如CNG、DME、甲醇及乙醇等不同燃料，作者认为首先应考虑选用甲醇及乙醇。自从 1886 年世界上第一辆汽车问世至 今 100多年 ,汽车能源基本上采用的是石 油制品 汽油 和柴油 。 经过多年大规模的开 采 , 地球上的石油 存量已经不多 , 7 亿多辆内燃机汽车组 成的庞大耗 能群体 ， 其他交通工具(火车 轮船 飞机等)化工以及众多民用锅炉
2、 ， 还在继续以惊人的速度消耗着地 球上残存的石油 。 与此同时 ， 汽车及其他交通工具 运行时排放的大量污染物日积月累地使环境和生态不断恶化 。 有鉴于此 ， 寻找具有环保特征的交通新 能源尤其是汽车新能源的任务显得日益紧迫 。近几年来我国汽车工业发展很快，平均年增长率为15%是同期世界汽车增长率的10倍。摩托车的年产量及销售量均超过1000万辆。2010年达到600万辆，可能占世界汽车总产量的1/10。不言而喻，汽车及摩托车的产销量如此大幅度增加，对石油的需求量也会大幅度逐年增加，成品油的缺口量也愈来愈大，再加上全国及地方排放法规日趋严格，降低CO2 排放的任务也很重，汽车行业及用户选择和
3、使用清洁的代用燃料势在必行。各大汽车公司不得不考虑如何开发代用燃料的车辆。关键词关键词：甲醇 乙醇 CNG DME 新能源汽车 精品目目 录录1 1 引言引言 12 2 能源形势及汽车新能源的研究现状能源形势及汽车新能源的研究现状 12.1 国际能源形势.12.2 汽车新能源的研究现状22.2.1 天然气煤层气22.2.2 液化石油气22.3 新能源汽车性能的分析32.3.1 动力性能及燃油经济性32.3.2 起动性、加速性及爬坡性能。43 3 环境保护环境保护43.1 净化空气的任务繁重.43.2 承担降低 CO2 等温室气体的义务.44 4 汽车动力装置及燃料的现状与发展趋势汽车动力装置及
4、燃料的现状与发展趋势54.1 汽车动力及燃料的现状与发展趋势如图 1 所示。54.2 不同燃料使用经济性及方便性.642.1 使用费用及投资费用的比较.64.22 国际上日益重视可再生醇燃料等生物燃料65 5 代用燃料性质的分析比较代用燃料性质的分析比较75.1 几种燃料的分析75.1.1 天然气75.12 甲醇及甲烷等.75.2 几种燃料性能的比较86 6 不同燃料的排放性能不同燃料的排放性能86.1 排放性能的比较.86.1.1 低比例醇/汽油混合物燃烧的排放.8精品6.1.2 醇燃料汽车容易达到严格的排放标准96.2 未燃醇及醛类排放.97 7 结果分析与讨论结果分析与讨论98 8 总结
5、总结.10参考文献参考文献.10致致 谢谢13精品1 引言引言随着世界石油资源日益枯竭和环境污染日益严重, 内燃机新能源高效清洁燃烧一直是内燃机研究与发展中的关键问题。能源（主要是石油资源）匮乏和环境恶化是当今人类面临的两大挑战, 汽车及内燃机既是石油资源的主要消耗者, 也是大气特别是城市大气污染的主要来源。随着我国汽车工业的迅速发展和汽车保有量的不断增加, 我国能源消耗正以每年一个百分点的速度上升, 预计到2020年60%的石油消费将依赖进口。因此, 研究开发高效低污染发动机和新能源清洁石油替代燃料发动机对于摆脱我国经济对外国石油的依赖, 提高能源利用率, 减缓能源危机, 降低城市空气污染,
6、 保护环境有十分重要的显示意义和深远的社会经济效益。2 能源形势及汽车新能源的研究现状能源形势及汽车新能源的研究现状2.12.1 国际能源形势国际能源形势根据美国地质调查局及一些国际能源专家的统计预测，石油、天然气及煤炭的储采比分别为 34 年、44 年及 245 年。世界能源大会 1995 年版能源资源调查报告认为石油天然气及煤的储采比分别为 44 年、57 年及 230 年，尽管看法不一，这些预测可能不完全符合实际情况，但是石油及天然气的储采比大大地小于煤炭的储采比。非再生能源资源日益减少，则是比较肯定的。 表 1 是几次石油危机使石油价格上涨 我国缺油少气，能源资源人均拥有量只有世界人均
7、拥有量的 1/10。能源储存及供应形势严峻，根据中国工程科学院在 1994 年1995 年统计，1997 年发表的能源供需矛盾报告，如按 2003 年计，我国石油的储存量只够开采 14 年。精品从 1993 年起我国就已经是石油净进口国。2000 年进口原油 7000 万吨，成品油 3000 万吨，花去 250 亿美元。随着经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，车辆的数目逐年大幅度增加，石油缺口也将大幅度增加。买得起汽车的人日益增多，面临的问题是燃料供需矛盾大，或者价格逐步上涨，用不起油怎么办？有人认为世界石油储存量还多，可以大量进口，这可能不是稳妥之计，而且本国产量有限，进口太多，会产生严
8、重的能源安全问题。我国在“十五规划”中，明确规定要开发和利用甲醇等新能源燃料。中央领导多次在经贸委及多位专家给中央的报告上批示，要建新厂及化肥厂改造增产甲醇；又决定在河南、吉林及黑龙江用陈化粮生产乙醇，在汽车上使用醇燃料及生物柴油。汽车工业部门有责任，同时也为了自身更好的发展，都应该迅速开展醇燃料汽车的试验研究和使用运行的工作。2.2汽车新能源的研究现状汽车新能源的研究现状2.2.12.2.1 天然气煤层气天然气煤层气常规天然气和煤层气随产地不同而组分各异,通过分析我国42处煤层气组分, 发现煤层气以甲烷为主（30%-99%）, 伴有少量重烃气（如乙烷, 一般大于5%）, 其次组分首先是氮（0
9、.5%-65%）, 还有少量二氧化碳大于（5%）。天然气、煤层气作为新能源燃料正在发挥着越来越重要的作用。天然气发动机主要分为两类:一是火花塞点火式发动机,此类发动机普遍存在低中负荷时热效率低,稀燃能力差等问题;另一类是利用柴油引燃的柴油天然气双燃料发动机, 此类发动机需要两套燃料供给系统,存在低负荷时碳氢排放高的问题。国内学者研究发现柴油天然气双燃料发动机燃烧模式主要以预混燃烧为主。因此, 颗粒物和碳烟排放较低。目前存在问题有以下三个方面：a：二煤层气组分中氮和二氧化碳的稀释作用对其燃烧特性和排放的影响机理还不清楚, 国外尚未见有关煤层气燃烧机理和煤层气发动机的报道。b:由于天然气火焰传播速
10、度较慢且随着过量空气系数的增加而更慢, 导致了混合气的燃烧不完全,热效率降低, 未燃碳氢排放上升和发动机的稳定性变差等一系列问题仍需解决。c:虽然在天然气、煤层气发动机上使用氮氢天然气、氮氢煤层气能提高稀薄混精品合气的燃烧速度, 避免通过组织缸内强紊流运动来提高燃烧速率所引起的弊端。但是,国内外研究还未涉及到煤层气对煤层气燃烧特性和煤层气发动机的性能、排放的影响, 而且, 因天然气产地不同而各异, 很难归纳出掺氢天然气燃烧与排放方面的共性特征和规律。2.2.22.2.2 液化石油气液化石油气氢气与天然气、汽油、LPG相比单位质量低热值高, 约是汽油低热值的2.7倍。可燃极限宽, 易于实现稀薄燃
11、烧, 提高经济性, 同时可以降低最高燃烧温度, 大幅度地降低NOx排放。同时氢的自燃温度585比天然气540 、汽油(228-501)高, 有利于提高压缩比,提高氢能源内燃机的热效率。虽然氢能源的自燃温度比天然气、汽油等燃料高, 但其点火能量很低, 最小可以低到(0.02mg),这样氮能源内燃机工作时几乎不失火, 具有良好的启动性。氢能源有害物排放少,燃烧主要产物是水, 不产生CO及CH, 由于氢气火焰的淬冷距离比汽油短,因此靠近缸壁激冷层可燃混合气燃烧更完全,NOx 排放大大降低。由于氢能源燃料电池系统在能量密度、体积、反应速度以及成本等方面还没有很好解决, 所以以燃料电池为动力的汽车距实用
12、还有一段距离。燃机燃料既可以实现氢能源清洁, 可再生的特点又可以利用目前已经充分建立起来的内燃机工业基础, 且氢气发动机热效率较高, 综合效率与燃料电池效率相当, 生产及使用成本低, 在使用性能、成本等方面较容易得到发展和应用。目前制约氢能源内燃机的因素主要有氢气沸点低-253 , 车贮存和运输性能差，制取困难, 到目前为止制取氢的成本仍是制约氢能源发展的主要因素。2.32.3 新能源汽车性能的分析新能源汽车性能的分析 分析汽车使用不同燃料后性能如何，也是选择燃料时要考虑的问题。2.3.12.3.1 动力性能及燃油经济性动力性能及燃油经济性内燃机在机外形成天然气与空气的混合气，再进入气缸燃烧，
13、必然会使原机的功率较大幅度下降；用这种方式掺烧部分天然气也会影响功率。要使天然气发动机功率不下降，就需要向气缸内喷射气体燃料乃至液化天然气，但是这样内燃机就需要较大的变动或者重新设计专用内燃机。在常压下二甲醚是气态，如果加压将其变成液态喷入气缸中，那会同柴油机的功率一样。醇燃料的低热值比汽油、柴油低得多，但是理论空燃比下的混合气热值和常规燃料一样，醇精品燃料的理论空燃比比汽油、柴油低。因此掺烧部分醇燃料或者使用 100%醇燃料，只要增加醇供油量，功率不会下降，如果进行优化，功率还会有较大幅度的增加。汽车使用醇燃料能提高功率及降低内燃机的比能耗(MJ/kWh)，亦能提高热效率的原因如下：1) 气
14、化潜热高，有内冷作用，可以提高充气系数； 2) 含碳原子数少，层流火焰传播速度快，容易燃烧完全，等容燃烧比例大； 3) 含氧，对于原来混合气较浓时有稀释效应； 4) 混合气可燃范围宽，可以使用稀混合气，燃烧更完全可以提高热效率； 5) 辛烷值高，燃烧室壁面温度低，可以提高汽油机受爆燃限制的功率；燃烧无烟，可以提高受冒烟限制的柴油机功率； 6)理论空燃比混合燃烧后，分子变化系数大，可以提高膨胀功。 交通部公路科学研究所在使用 213SC 化油器的解放 CA-15 汽油机上，使用不同含乙醇混合燃料的试验结果表明，在提高压缩比 后最大功率 P 都增加，而按等热值折算成汽油的比油耗都降低，即热效率提高
15、 24 。 汽油机使用 100%甲醇或 100%乙醇后，动力性能及燃油耗的变化表明，汽油机使 100%甲醇后，功率扭矩都比汽油分别增加 15%及 13%，热效率也由28.1%提高到 35.6%，折算成当量汽油后，比油耗则由 291kWh 下降到229.5g/kWh。使用乙醇后功率及扭矩分别提高 12%及 9%，而热效率则由28.1%提高到 36.7%。 柴油机的功率受排气冒烟的限制，改用碳原子很少的醇燃料，排气不冒烟，因此无论掺烧或者使用 100%的醇燃料，只要增加供油量，动力性能及热效率都会有不同程度的提高。2.3.22.3.2 起动性、加速性及爬坡性能起动性、加速性及爬坡性能实验表明，燃料
16、的 10%馏分温度愈低愈容易起动，汽油的这一馏分温度为4555，而单一组分的甲醇及乙醇的沸点分别为 65及 79，醇燃料的气化热也比常规燃料高得多，使用大比例及 100%醇燃料汽车在环境温度低时的起动性能差，需要采取改善措施后能满足用户的要求，能在25低温下起动。详情参见文献5。 汽车的加速性能爬坡性能除了受燃料组分及蒸馏特性的影响外，在很大程精品度上受动力性能的影响。优化的醇燃料内燃机的动力性能比原机还有较大幅度提高，最高车速、加速及爬坡性能也会较好。汽车使用含不同甲醇混合燃料后的加速性基本上和原汽油机一样，最高车速还略有提高 。2526 3 环境保护环境保护3.13.1 净化空气的任务繁重净化空气的任务繁重汽车排放物是污染空气的重要根源之一。我国对 660 个城市空气质量分析结果表明，达到一级质量标准的城市仅占 1%。2001 年卫生部门统计结果表明，全国癌症患者达 300 万人，每年以 3%的速度递增，在癌症患者中以肺癌占首位，然后是胃癌及肝癌。肺癌除了与吸烟有关外，也与空气质量及汽
